[논문]KEOP-2007 라디오존데 관측자료를 이용한 장마 특성 분석 : Part Ⅱ. 2007년 장마의 역학적 및 열역학적 특성에 관한 사례연구

김기훈; 김연희; 장동언

문제 정의

본 연구에서는 ECMWF 분석자료 및 라디오존데 관측자료를 이용하여 2007년 장마기간 동안 상당온위 변화에 따른 연직 대기 특성을 살펴보았다. 장마는 오호츠크해 기단이 쇠퇴함에 따라 북태평양 고기압이 북상하면서 열적 불안정이 증가하고 남서류가 한반도 남부지방까지 북상하면서 시작되었다.
주성분분석(EOF; Empirical Orthogonal Function)은 공분산 행렬을 통한 고유벡터와 고유값을 계산하는 것으로서 물리적으로 복잡한 현상을 쉽게 이해하고자 규모에 따라 각각 독립적인 모드로 분리하여 이를 해석하는 기법이다. 본 연구에서는 장마 기간 동안 상당온위의 연직 분포가 통계적으로 어떠한 의미를 가지는지를 분석하고자 주성분 분석을 수행하였다. 본 연구에서 주성분 분석의 계산은 미국 UCAR에서 제공하는 NCL 프로그램(http://www.
본 연구에서는 장마의 종관적 특성을 분석하고자 0.5° 간격의 ECMWF 분석 자료를 사용하였고, 지역별 특성을 찾아내고자 KEOP-2007 IOP 자료를 활용하였다.

제안 방법

2007년 장마의 시작 및 종료에 따른 종관 특성을 살펴보고자 기간을 장마 전(BEF), 장마 기간(DUR), 장마 후(AFT)로 분류하여 하층 850 hPa에서의 상당온위 및 바람을 기간 평균하고 이를 Fig. 1에 나타내었다. 장마 전(BEF) 850 hPa에서는 289 K 이하의 상당온위가 한반도 주변에 위치하고 있는 반면, 위도 40°N 이상의 중국 화북지역에서는 위도 32°N 이하에서와 같이 289 K 이상의 상당온위를 보여, 한반도를 기준으로 고위도 지역에서 높은 상당온위를 보인다.
본 연구에서는 한반도 악기상 집중관측 사업의 일환으로 2007년 하계 집중관측(KEOP-2007)동안 전국적인 규모로 장기간 집중관측을 수행하였고 이를 통해 장마전선의 발생/발달/쇠퇴에 관한 역학적 및 열역학적 구조를 보다 상세히 분석할 수 있었다. 또한 목표관측시스템과 WRF/KLAPS 및 WRF/3DVAR를 기반으로 하는 관측시스템을 구축하였고 KEOP-2007 집중관측자료를 기상청 현업 모델에 적용한 결과 관측자료가 수치모델의 예측능력 향상에 기여함을 알 수 있었다.
전은희 등(2009)은 2007년 태풍 나리에 대하여 SREH(Storm Relative Environmental Helicity)와 CAPE(Convective Available Potential Energy)를 계산하였고, 각각은 대기의 역학적 불안정 및 조건 불안정 대기에서 열역학적 불안정의 정도를 나타냄을 밝힌 바 있다. 본 연구에서도 장마기간 중의 대기의 불안정의 원인을 조사하고자 위의 지수들을 활용하였다. CAPE와SREH의 계산식은 식(1), (2)와 같고, 지수의 크기에 따른 현상에 대한 분류는 Table 3에 나타내었다.
장마기간 동안 강수는 대기의 열역학적 불안정과는 무관하게 중립 혹은 안정한 대기에서 발생하였는데 이를 상세히 분석하고자 지점별로 대기의 열역학적 특성을 설명할 수 있는 CAPE와 역학적 특성을 나타내는SREH를 계산하여 각각 Figs. 3~4 에 나타내었다.
장마기간 동안의 400 hPa 이하에서의 상당온위 변화는 지역별로 차이를 보였는데 장마의 시공간적 변화특징을 살펴보고자, 지점별 연직 상당온위에 대한 주성분 분석(EOF)을 수행하였다.
2007년 장마는 6월 21일 한반도 전 지역에서 동시에 시작되어, 중부지방은 7월 29일, 남부지방과 제주에서는 7월 24일 종료되었다(Table 1). 장마의 시종에 있어 종관적 차이를 분석하기 위해 Table 2와 같이 장마 전(BEF), 장마(DUR), 장마 후(AFT)로 분류하여상당온위와 바람의 평균장을 계산하였다.
하지만 라디오존데 고층관측 자료만을 사용하여 동아시아 지역에서 나타나는 종관 규모 현상을 분석하기에 한계가 있으므로 0.5°간격의 고해상도ECMWF 분석자료 및 KEOP-2007 IOP 자료를 활용하여 2007년 장마전선의 구조적 특징 및 지역별 특성에 대한 분석을 수행하고자 한다.

대상 데이터

Fig. 1에서 보였듯이 2007년 장마기간(DUR) 동안 한반도 내의 지역에 따른 상당온위와 풍속의 차이를 상세히 조사하고자 6월 15일부터 7월 15일까지 9개 지점(Table 4)에서 라디오존데를 통해 관측된 상당온위를 Fig. 2에 나타내었다.
5° 간격의 ECMWF 분석 자료를 사용하였고, 지역별 특성을 찾아내고자 KEOP-2007 IOP 자료를 활용하였다. 단 KEOP-2007 IOP 자료는 6월 15일부터 7월15일까지 한반도 내 10개 지점(이어도, 속초, 문산, 백령도, 오산, 포항, 광주, 흑산도, 해남, 고산)에서 6시간 간격의 라디오존데 자료로 구성되어 있으며, 본 연구에서는 관측기간이 짧은 이어도 지점을 제외한 9개의 지점 자료 중 기압, 상당온위, 관측지점별 강수 자료가 활용되었다.

이론/모형

본 연구에서는 장마 기간 동안 상당온위의 연직 분포가 통계적으로 어떠한 의미를 가지는지를 분석하고자 주성분 분석을 수행하였다. 본 연구에서 주성분 분석의 계산은 미국 UCAR에서 제공하는 NCL 프로그램(http://www.ncl.ucar.edu/Document/Functions/Built-in/eofunc.shtml) 내 eofunc 코드를 활용하였다.

성능/효과

2007년 장마기간 동안 한반도 9개 지점에서의 강수 발생시 대기 연직구조의 특성을 분석한 결과 강수의 주요 원인은 열적 불안정보다 역학적 불안정이 더 우세하였다. SREH가 150 m²s^-2이상 증가할 경우 지상 강수가 나타나며 역학적 불안정이 클수록 강수량 또한 증가하는 경향을 보였다. 또한 한반도에서는 장마기간 동안 경압대기가 우세하였으나, 고산에서는 북태평양고기압의 영향으로 그리고 속초에서는 오호츠크해 고기압의 영향으로 순압대기의 특징을 보였다.
고유벡터의 연직 분포는 지점별로 차이는 있지만 약 700 hPa을 기준으로 상층과 하층 사이에 위상이 반대로 나타난다. 강수 유무와 비교할 경우 700 hPa 이상의 고도에서 상당온위가 증가하고 이하의 고도에서 상당온위가 감소하는 열적 안정대기 상태에서 강수가 나타나는 것을 확인하였다. 앞서 밝힌 바와 같이 중층에서의 상당온위 증가는 북태평양 고기압의 확장 및 후퇴에 기인함을 감안하면 결국 제2모드는 북태평양 고기압에 의한 강수 유무에 따른 연직 구조를 설명하는 것으로 분석되어 통계적으로 장마기간 동안 강수의 유무를 판별할 수 있는 지수로 활용이 가능할 것으로 보인다.
CAPE의 경우에는 전반적으로 저위도에서 높고 고위도에서 낮은 특성을 보이지만, CAPE 평균값이 가장 저위도에 위치한 고산(69 Jkg^-1)보다는 광주(115 Jkg^-1)와 해남(106 Jkg^-1)에서 높은 값을 보여 SREH와 같이 위도 별로 뚜렷한 차이를 보이지 않는다. 강수량과의 관계를 살펴보면 강수 발생은 CAPE의 증가보다는SREH와 잘 일치하여 모든 지점에서 SREH가 150m2s-2이상일 경우 강수가 발생하였고 SREH의 값이 클수록 강수량 또한 증가하였다.
(2000)은 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) 자료 및 라디오존데 자료를 이용하여 1981년부터 1993년까지의 장마기간 동안의 경압 불안정을 분석하였다. 그 결과 경압 불안정은 장마 초반 뿐만 아니라 전기간에 걸쳐 나타났고, 장마기간동안 한반도 남부지역에서의 강수는 경압 불안정이 그 원인이며 북부지역에서의 강수는 경압성의 강화와는 관계가 없음을 밝혔다.
본 연구에서는 한반도 악기상 집중관측 사업의 일환으로 2007년 하계 집중관측(KEOP-2007)동안 전국적인 규모로 장기간 집중관측을 수행하였고 이를 통해 장마전선의 발생/발달/쇠퇴에 관한 역학적 및 열역학적 구조를 보다 상세히 분석할 수 있었다. 또한 목표관측시스템과 WRF/KLAPS 및 WRF/3DVAR를 기반으로 하는 관측시스템을 구축하였고 KEOP-2007 집중관측자료를 기상청 현업 모델에 적용한 결과 관측자료가 수치모델의 예측능력 향상에 기여함을 알 수 있었다. 향후에도 한반도에서의 위험기상 예측성 향상을 위한 집중관측을 지속할 예정이며 이를 통해 한반도에 유입되거나 발생하는 재해기상의 예보 정확도 향상에 기여하고자 한다.
분석기간 동안 포항에서의 SREH 평균값은 약 79m²s^-2으로 다른 지점에 비해 가장 높고 그 뒤를 이어 고산(77 m²s^-2), 해남 (74 m²s^-2) 순으로 나타나 저위도에 위치한 지점에서 상대적으로 높았다. 반면 고위도에 위치한 속초와 백령도에서는 각각 40 m²s^-2과 48 m²s^-2으로 고위도에 위치할수록 낮은 SREH를 보였다.
상당온위에 대한 주성분 분석결과 제1모드에서는400 hPa 이하 전 층에서 장마시작과 함께 상당온위가 증가하여 장마시작을 표현할 수 있는 지수로 활용 가능할 것으로 분석되었고 제2모드에서는 중층과 하층 간의 상당온위의 변동으로 장마 기간 동안 강수 유무를 판별할 수 있는 지수로 활용 가능할 것으로 분석되었다.

후속연구

강수 유무와 비교할 경우 700 hPa 이상의 고도에서 상당온위가 증가하고 이하의 고도에서 상당온위가 감소하는 열적 안정대기 상태에서 강수가 나타나는 것을 확인하였다. 앞서 밝힌 바와 같이 중층에서의 상당온위 증가는 북태평양 고기압의 확장 및 후퇴에 기인함을 감안하면 결국 제2모드는 북태평양 고기압에 의한 강수 유무에 따른 연직 구조를 설명하는 것으로 분석되어 통계적으로 장마기간 동안 강수의 유무를 판별할 수 있는 지수로 활용이 가능할 것으로 보인다. 하지만 이러한 결과는 2007년의 장마 사례 만을 통해 도출된 결과이므로 향후 분석기간을 확장하여 이를 살펴볼 필요가 있다.
앞서 밝힌 바와 같이 중층에서의 상당온위 증가는 북태평양 고기압의 확장 및 후퇴에 기인함을 감안하면 결국 제2모드는 북태평양 고기압에 의한 강수 유무에 따른 연직 구조를 설명하는 것으로 분석되어 통계적으로 장마기간 동안 강수의 유무를 판별할 수 있는 지수로 활용이 가능할 것으로 보인다. 하지만 이러한 결과는 2007년의 장마 사례 만을 통해 도출된 결과이므로 향후 분석기간을 확장하여 이를 살펴볼 필요가 있다.
또한 목표관측시스템과 WRF/KLAPS 및 WRF/3DVAR를 기반으로 하는 관측시스템을 구축하였고 KEOP-2007 집중관측자료를 기상청 현업 모델에 적용한 결과 관측자료가 수치모델의 예측능력 향상에 기여함을 알 수 있었다. 향후에도 한반도에서의 위험기상 예측성 향상을 위한 집중관측을 지속할 예정이며 이를 통해 한반도에 유입되거나 발생하는 재해기상의 예보 정확도 향상에 기여하고자 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장마는 한국, 일본, 중국에서 어떤 이름으로 불리우는가?	장마는 중위도와 아열대 지역 기단의 상호작용에 의해 유발되는 몬순시스템에 의한 준정체전선의 영향으로 발생하며 동아시아 내에서 여름철 계절풍을 초래하는 우기로 우리나라에서는 장마, 일본에서는 바이우(Baiu), 중국에서는 메이유(Mei-yu)로 불린다. 장마기간 동안 적도 서태평양 상 수증기가 하층 남서 기류를 통해 중위도로 유입되어 대류 불안정을 증가시킨다(Krishnan and Sugi, 2001).
	장마기간 동안 대류 불안정의 증가로 인해 유발되는 것은 무엇인가?	장마기간 동안 적도 서태평양 상 수증기가 하층 남서 기류를 통해 중위도로 유입되어 대류 불안정을 증가시킨다(Krishnan and Sugi, 2001). 대류 불안정의 증가는 하층 제트의 형성과 함께 장마 전선 내에서 중규모 대류 시스템을 발달시켜 지역적으로 호우 및 홍수를 유발하기도 한다(Chen et al., 2008).
	장마는 무엇의 영향으로 발생하는가?	장마는 중위도와 아열대 지역 기단의 상호작용에 의해 유발되는 몬순시스템에 의한 준정체전선의 영향으로 발생하며 동아시아 내에서 여름철 계절풍을 초래하는 우기로 우리나라에서는 장마, 일본에서는 바이우(Baiu), 중국에서는 메이유(Mei-yu)로 불린다. 장마기간 동안 적도 서태평양 상 수증기가 하층 남서 기류를 통해 중위도로 유입되어 대류 불안정을 증가시킨다(Krishnan and Sugi, 2001).

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